KR20070080696A - Nitride based semiconductor laser diode - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도 및 굴절률 프로파일을 나타낸다.1 shows a schematic cross-sectional view and a refractive index profile of a nitride semiconductor laser diode according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 하부 클래드층의 두께에 따른 OCF를 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph illustrating an OCF according to a thickness of a lower clad layer of the nitride semiconductor laser diode of FIG. 1.
도 3은 도 1의 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 하부 클래드층의 두께에 따른 FFP의 반가폭값을 나타낸다.FIG. 3 shows the half width of FFP according to the thickness of the lower clad layer of the nitride semiconductor laser diode of FIG. 1.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도 및 굴절률 프로파일을 나타낸다.4 shows a schematic cross-sectional view and a refractive index profile of a nitride semiconductor laser diode according to a second embodiment of the present invention.
도 5a 내지 도 5c는 비교예에 따라 제작된 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 실험결과를 나타내는 그래프이다.5A to 5C are graphs showing experimental results of nitride semiconductor laser diodes manufactured according to Comparative Examples.
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따라 제작된 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 실험결과를 나타내는 그래프이다.6A and 6B are graphs showing experimental results of a nitride semiconductor laser diode manufactured according to an embodiment.
<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
100,200...기판 110...하부 콘택트층100,200
120,220...하부 클래드층 130,230...하부 도파층120,220 Lower cladding layer 130,230 Lower waveguide layer
140,240...활성층 150,250...상부 도파층140,240 ... active layer 150,250 ... top waveguide
160,260...전자차단층 170,270...상부 클래드층160,260 ... Electronic barrier layer 170,270 ... Upper clad layer
본 발명은 질화물계 반도체 레이저 다이오드(Gallium nitride based semiconductor laser diode)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학 모드의 손실이 억제되어 레이저광의 빔 퀄리티가 개선된 질화물계 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride-based semiconductor laser diode, and more particularly to a nitride-based semiconductor laser diode in which the loss of the optical mode is suppressed to improve the beam quality of the laser light.
반도체 레이저 다이오드는 광통신 등과 같은 통신 분야나 컴팩트 디스크 플레이어(CDP)나 디지털 다기능 디스크 플레이어(DVDP) 등과 같은 장치에서 데이터의 전송이나 테이터의 기록 및 판독을 위한 수단으로 널리 사용되고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION Semiconductor laser diodes are widely used as a means for transmitting data or recording and reading data in a communication field such as optical communication or a device such as a compact disc player (CDP) or a digital multifunction disc player (DVDP).
특히, 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 녹색에서 자외선 영역까지의 파장을 이용가능하게 함으로써, 고밀도(high density)의 광정보 저장 및 재생, 고해상(high resolution)의 레이저 프린터, 프로젝션 TV 등 광범위한 분야에 응용되고 있다. In particular, nitride-based semiconductor laser diodes can be used in a wide range of applications, such as high density optical information storage and reproduction, high resolution laser printers, and projection TVs by making wavelengths available from green to ultraviolet light. have.
일반적인 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 기판위에 n형 콘택트층과, n형 클래드층, 활성층, 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층되어 형성되며, 활성층에서 발생된 레이저 광을 굴절율 차이에 의해 구속시키고 광학 이득을 거둘 수 있는 구조를 지니고 있다. In general, a nitride-based semiconductor laser diode is formed by sequentially stacking an n-type contact layer, an n-type cladding layer, an active layer, and a p-type cladding layer on a substrate. The laser light generated in the active layer is constrained by the difference in refractive index and the optical gain is obtained. It has a structure that can reap.
여기서, 활성층에 가두어진 레이저 광의 일부 성분은 누설되어 n형 클래드층이나 p형 클래드층으로 향할 수 있다. 종래의 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 경우 일반적으로 n형 콘택트층의 굴절률이 n형 클래드층의 굴절률보다 더 높으므로, n형 클래드층으로 향한 레이저 광의 누설성분은 소멸하지 않고 기판쪽으로 전파하게 되어, 광학 모드(optical mode)의 누설이 발생하게 된다.Here, some components of the laser light confined in the active layer may leak to the n-type cladding layer or the p-type cladding layer. In the case of a conventional nitride-based semiconductor laser diode, since the refractive index of the n-type contact layer is generally higher than that of the n-type cladding layer, the leakage component of the laser light directed to the n-type cladding layer is propagated toward the substrate without disappearing. The leakage of the optical mode occurs.
이러한 광학 모드의 누설은 원거리장(far field)에서 리플(ripple)을 생성하는 등의 레이저광의 빔 퀄리티가 나빠지게 되는 원인이 된다. This leakage of the optical mode causes the beam quality of the laser light to be degraded, such as generating ripple in the far field.
광학 모드의 누설을 줄이기 위해서는 n형 클래드층으로 누설되는 레이저 광을 줄이거나, n형 클래드층으로 누설된 레이저 광이 기판쪽으로 전파되지 않도록 하여야 한다. 이를 위하여 종래의 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 AlxCa1-xN(0<x<1)의 조성을 가지는 n형 클래드층에서 알루미늄(Al)의 조성을 높여 활성층에서 n형 클래드층으로의 누설을 억제하거나, n형 클래드층의 두께를 두껍게 하여 n형 클래드층으로 누설된 광이 기판으로 전파되기 전에 충분히 소멸되도록 하였다. 그러나, n형 클래드층의 알루미늄의 조성을 높이거나, 그 두께를 두껍게 하면, 성장 도중 크랙(crack)이 유발될 가능성이 커지는 문제점이 있다. To reduce the leakage of the optical mode, it is necessary to reduce the laser light leaking to the n-type cladding layer or to prevent the laser light leaking to the n-type cladding layer from propagating toward the substrate. To this end, the conventional nitride-based semiconductor laser diode to increase the composition of aluminum (Al) in the n-type cladding layer having the composition of AlxCa1-xN (0 <x <1) to suppress leakage from the active layer to the n-type cladding layer, or The thickness of the cladding layer was made thick so that the light leaked into the n-type cladding layer was sufficiently extinguished before propagating to the substrate. However, if the composition of the aluminum of the n-type cladding layer is increased or the thickness thereof is increased, there is a problem in that cracks are more likely to occur during growth.
또한, 종래의 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 경우, 자색에서 청색이나 녹색으로 레이저광의 파장이 길어질수록 광학 모드의 누설이 증가하므로 빔 퀄리티가 심하게 훼손되고, 따라서 디스플레이 광원 등으로의 응용에 심각한 문제가 될 수 있다.In addition, in the case of the conventional nitride-based semiconductor laser diode, the longer the wavelength of the laser light from purple to blue or green, the higher the leakage of the optical mode, so that the beam quality is severely impaired, thus causing serious problems in application to display light sources. Can be.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 기판 방향으로의 광학 모드의 누설을 억제하여 레이저광의 빔 퀄리티를 향상시킨 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 제공함을 목적으로 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor laser diode in which the leakage of the optical mode toward the substrate direction is suppressed to improve the beam quality of the laser beam.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 기판 위에 성장되어 하부 콘택트층, 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층으로 순차적으로 적층된 질화물계 반도체 레이저 다이오드로서, 상기 하부 클래드층의 굴절률이 상기 하부 콘택트층의 굴절률과 같거나 큰 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the nitride-based semiconductor laser diode according to the first embodiment of the present invention is grown on a substrate and sequentially stacked with a lower contact layer, lower cladding layer, active layer, upper cladding layer The refractive index of the lower clad layer is equal to or greater than the refractive index of the lower contact layer.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 기판 위에 성장되어 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층으로 순차적으로 적층된 질화물계 반도체 레이저 다이오드로서, 상기 하부 클래드층의 굴절률이 상기 기판의 굴절률과 같거나 큰 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the nitride-based semiconductor laser diode according to the second embodiment of the present invention is a nitride-based semiconductor laser diode grown on a substrate and sequentially stacked into a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, the lower The refractive index of the cladding layer is the same as or greater than the refractive index of the substrate.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.Hereinafter, a nitride based semiconductor laser diode according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for clarity.
도 1의 (a)는 본 발명의 제1실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이며, 도 1의 (b)는 상기 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 이루는 각 반도체층의 굴절률 프로파일을 도시한다.FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor laser diode according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B illustrates a refractive index profile of each semiconductor layer constituting the nitride semiconductor laser diode. do.
도면을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이 오드는 기판(100) 상에 하부 콘택트층(110), 하부 클래드층(120), 하부 광도파층(130), 활성층(140), 상부 광도파층(150), 전자차단층(160) 및 상부 클래드층(170)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 여기서, 상기 하부 클래드층(120)은 상기 하부 콘택트층(110)의 굴절률과 같거나 큰 굴절률을 가진다. 그리고, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 기판(100)의 하면 및 상부 클래드층(170)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극층이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전극층은 각각 n형 전극층 및 p형 전극층이 될 수 있다.Referring to the drawings, the nitride-based semiconductor laser diode according to the first embodiment of the present invention on the
상기 기판(100)으로는 사파이어 기판이 사용될 수 있다. As the
상기 기판(100)의 상면에는 하부 콘택트층(110)과 하부 클래드층(120)이 순차적으로 적층되어 형성된다. The
상기 하부 콘택트층(110)은 n형 AlxGa1-xN의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 그 구성원소인 알루미늄(Al)의 평균조성은 0≤x≤0.1의 범위에 있는 것이 바람직하다.The
상기 하부 클래드층(120)은 n형 AlyGa1-yN의 화합물 반도체로 형성될 수 있다. AlGaN조성을 갖는 화합물 반도체에서, 일반적으로 Al의 조성이 클수록 그 물질의 굴절률은 작아진다. 따라서, 상기 하부 클래드층(120)의 굴절률이 상기 하부 콘택트층(110)의 굴절률과 같거나 크도록, 상기 하부 클래드층(120)의 알루미늄(Al)의 평균조성(y)이 상기 하부 콘택트층(110)의 알루미늄(Al)의 평균조성(x)과 같거나 작은 것이 바람직하다. 즉, 상기 하부 콘택트층(110) 및 하부 클래드층(120)의 구성원소인 알루미늄(Al)의 평균조성은 0≤y≤x≤0.1의 범위에 있는 것이 바람직하 다. 상기와 같은 조성에 의하여, 하부 클래드층(120) 쪽으로 전파된 누설성분은 하부 콘택트층(110)에서 더 이상 전파되지 못하며, 광학 모드의 누설을 억제할 수 있게 된다.The
일반적으로 질화물계 반도체 레이저 다이오드에서, 광학 모드의 구속을 강하게 하려면, 클래드층의 알루미늄(Al) 조성을 높이거나 그 두께를 두껍게 하여야 한다. 그러나 크랙 발생문제나 결정성장의 어려움 등으로 광학 모드가 충분히 구속되지 못하여 일부의 광학 모드 성분이 클래드층으로 누설된다. 이에 본 발명은, 하부 클래드층(120)의 굴절률을 하부 콘택트층(110)의 굴절률과 같거나 크게 함으로써, 하부 클래드층(120) 쪽으로 전파된 누설성분은 하부 콘택트층(110)에서 더 이상 전파되지 못하고 소멸하게 되어 광학 모드를 강하게 구속시키는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 하부 클래드층(120)의 물질로 알루미늄(Al)의 조성이 낮은 AlGaN을 이용하므로 크랙의 유발 가능성을 줄일 수 있다.In general, in the nitride-based semiconductor laser diode, in order to increase the constraint of the optical mode, it is necessary to increase the aluminum (Al) composition of the clad layer or increase its thickness. However, the optical mode is not sufficiently constrained due to a crack generation problem or difficulty in crystal growth, and some optical mode components leak into the clad layer. Accordingly, in the present invention, the refractive index of the
한편, 상기 하부 클래드층(120)은 n형 AlyGa1-yN의 단일층 구조 뿐만 아니라, 알루미늄(Al)의 조성비(y′)가 서로 다른 n형 Aly′Ga1-y′N층들이 교대로 적층된 다층 구조를 가질 수 있다. 가령, 상기 하부 클래드층(120)은 Al0.08Ga0.92N/GaN층이 반복적으로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 이러한 복수개의 층들로 적층된 구조는, 크랙의 유발 가능성을 줄여 하부 클래드층(120)을 안정적으로 결정성장하게 한다.Meanwhile, the
상기 하부 클래드층(120)의 상면에는 하부 도파층(130)이 형성되어 있으며, 상기 하부 도파층(130)은 n형 InxGa1-xN(0≤x≤0.2) 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 하부 도파층(130)의 상면에는 활성층(140)이 형성되어 있으며, 상기 활성층(130)은 InxGa1-xN(0<x<1) 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 활성층(130)은 다중 양자우물 또는 단일 양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 상기 활성층(140)의 상면에는 상부 도파층(150)이 형성되어 있으며, 상기 상부 도파층(150)은 p형 InxGa1-xN(0≤x≤0.2) 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 상부 도파층(150)의 상면에는 전자들이 오버플로우(overflow)되는 것을 방지하기 위하여 전자차단층(electron blocking layer, 160)이 형성되어 있으며, 상기 전자차단층(160)은 AlxGa1-xN(O<x<1) 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 전자차단층(160)의 상면에는 상부 클래드층(170)이 형성되어 있으며, 상기 상부 클래드층(170)은 p형 AlxGa1-xN(0<x<1, 바람직하게는 0.01≤x≤0.1) 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.A
상기와 같이, 하부 콘택트층(110)의 알루미늄(Al)의 평균조성(x)이 하부 클래드층(120)의 알루미늄(Al)의 평균조성(y)과 같거나 크게 함으로써, 상기 하부 클래드층(120)이 상기 하부 콘택트층(110)의 굴절률과 같거나 큰 굴절률을 가지게 되어, 활성층(140)에서의 광학 모드의 손실을 억제하게 할 수 있다. 이렇게 광학 모드가 효과적으로 구속됨에 따라, 레이저광의 원거리장에서의 리플 생성이 억제되고 빔 퀄리티를 향상시킬 수 있다. As described above, the lower clad layer may be formed by increasing the average composition x of the aluminum Al of the
나아가, 하부 클래드층(120)의 두께를 조절하여 광구속계수(optical confinement factor;이하, OCF라 한다)나 원거리장패턴(far field pattern;이하, FFP라 한다)을 조절하여 레이저광 특성을 변화시킬 수 있다.Further, the laser light characteristics are changed by adjusting the thickness of the
도 2는 하부 클래드층의 두께에 따른 OCF를 나타내는 그래프이며, 도 3은 하부 클래드층의 두께에 따른 FFP의 반가폭(full width at half maximum;FWHM)값을 나타내는 그래프이다. 상기 데이터는 하부 콘택트층으로 n형 Al0.01Ga0.99N, 하부 클래드층으로 n형 GaN, 하부 도파층으로 600Å 두께의 n형 In0.03Ga0.97N, 활성층으로 In0.15Ga0.85N/In0.04Ga0.96N의 다중 양자우물 구조, 상부 도파층으로 600Å의 p형 In0.03Ga0.97N, 상부 클래드층으로 5000Å 두께의 p형 Al0.02Ga0.98N가 형성된 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 사용하여 측정한 값이다.FIG. 2 is a graph showing OCF according to the thickness of the lower cladding layer, and FIG. 3 is a graph showing full width at half maximum (FWHM) value of the FFP according to the thickness of the lower cladding layer. The data is n-type Al0.01Ga0.99N as the bottom contact layer, n-type GaN as the bottom clad layer, n-type In0.03Ga0.97N thickness 600Å as the lower waveguide layer, In0.15Ga0.85N / In0.04Ga0 as the active layer. It is measured using a nitride-based semiconductor laser diode having a 96N multi-quantum well structure, a p-type In0.03Ga0.97N of 600 kW as an upper waveguide layer, and a p-type Al0.02Ga0.98N of 5000 kW thick as an upper clad layer.
도 2를 참조하면, 하부 클래드층으로 n형 GaN를 이용하여 레이저광 발진에 충분한 OCF를 얻을 수 있음을 볼 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that sufficient OCF for laser light oscillation can be obtained using n-type GaN as the lower clad layer.
또한, 본 발명의 질화물계 반도체 레이저 다이오드에서는 하부 클래드층의 두께와 무관하게 굴절률을 조절하여 광학 모드의 누설을 억제하므로, 도 3에서 도시되듯이, 상기 하부 클래드층의 두께를 조절하여 FFP을 조절할 수 있다.Further, in the nitride-based semiconductor laser diode of the present invention, since the refractive index is controlled regardless of the thickness of the lower clad layer to suppress leakage of the optical mode, as shown in FIG. 3, the FFP is controlled by adjusting the thickness of the lower clad layer. Can be.
상술된 실시예의 변형례로 하부 클래드층(도 1의 120)은 n형 InyGa1-yN으로 형성될 수도 있다. 이 경우, n형 AlxGa1-xN으로 형성된 하부 콘택트층(110)의 알루미늄(Al) 평균조성은 0≤x≤0.1의 범위에 있고, 상기 인듐(In)의 평균조성은 0≤y≤0.1에 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 조성에 의하여 상기 하부 클래드층(120)이 상기 하부 콘택트층(110)의 굴절률과 같거나 큰 굴절률을 가지게 되며, 활성층(140)에서의 광학 모드의 구속을 강하게 할 수 있다. 이 결과, 레이저광의 원거리장에서의 리플생성이 억제되고 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 빔 퀄리티를 향상시킬 수 있다. 상기 하부 클래드층(120)은 단일층 구조 뿐만 아니라, 인듐(In)의 조성비(y′)가 서로 다른 n형 Iny′Ga1-y′N층들이 교대로 적층된 다층 구조를 가질 수 있다.In a modification of the above-described embodiment, the lower clad layer 120 (in FIG. 1) may be formed of n-type InyGa1-yN. In this case, the average composition of aluminum (Al) of the
도 4의 (a)는 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 개략적인 단면도이며, 도 4의 (b)는 상기 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 이루는 각 반도체층의 굴절률 프로파일을 도시한다.FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor laser diode according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4B shows a refractive index profile of each semiconductor layer constituting the nitride semiconductor laser diode. do.
도면을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 기판(200) 상에 하부 클래드층(220), 하부 광도파층(230), 활성층(240), 상부 광도파층(250), 및 상부 클래드층(270)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 여기서, 상기 하부 클래드층(210)은 상기 기판(200)의 굴절률과 같거나 큰 굴절률을 가진다. 그리고, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 기판(200)의 하면 및 상부 클래드층(270)의 상면에는 각각 제1 및 제2 전극층이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전극층은 각각 n형 전극층 및 p형 전극층이 될 수 있다.Referring to the drawings, the nitride-based semiconductor laser diode according to the second embodiment of the present invention, the lower
상기 기판(200)으로는 GaN 기판이 사용될 수 있다. As the
상기 기판(200)의 상면에는 상술된 실시예와 달리 하부 콘택트층없이 하부 클래드층(220)이 적층된다. 상기 하부 클래드층(220)의 상면에는 하부 도파층(230), 활성층(240), 상부 도파층(250), 전자차단층(260) 및 상부 클래드층(270)이 순차적으로 적층되어 있다. 상기 각 층은 상술된 실시예의 대응되는 층과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.Unlike the above-described embodiment, the lower
상기 하부 클래드층(120)은 n형 InyGa1-yN의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 인듐(In)의 평균조성은 0≤y≤0.1의 범위에 있는 것이 바람직하다. The lower
이와 같은 조성에 의하여, 상기 하부 클래드층(220)이 상기 기판(210)의 굴절률과 같거나 큰 굴절률을 가지게 된다. 이에 따라, 하부 클래드층(220) 쪽으로 전파된 누설성분은 기판(200)에서 더 이상 전파되지 못하고 소멸하게 되어 광학 모드를 강하게 구속시킬 수 있으며, 레이저광의 원거리장에서의 리플생성이 억제되고 빔 퀄리티를 향상시킬 수 있다. 또한, 하부 클래드층(220)의 물질로 GaN 또는 InGaN을 이용하므로 결정성장의 온도를 낮출 수 있다는 이점이 있다.By such a composition, the lower
한편, 상기 하부 클래드층(220)은 n형 InyGa1-yN의 단일층 구조 뿐만 아니라, 알루미늄의 조성비(y′)가 서로 다른 복수개의 n형 Iny′Ga1-y′N층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이러한 복수개의 층이 적층된 구조의 하부 클래드층(220)은 크랙의 유발 가능성을 줄여 결정을 안정적으로 성장하게 한다.Meanwhile, the lower
<실시예><Example>
본 발명의 제1실시예에 따라, 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 제작하였다. 다시 도 1을 참조하면, 기판(100)으로 사파이어 기판을 사용하였다. 하부 콘택트층(110)으로 n형 Al0.02Ga0.98N를 형성하였다. 하부 클래드층(120)으로 n형 Al0.01Ga0.99N를 형성하였다. 하부 도파층으로 600Å 두께의 n형 In0.03Ga0.97N를 형성하였다. 활성층으로 In0.15Ga0.85N/In0.04Ga0.96N의 다중 양자우물 구조를 형성하였다. 상부 도파층으로 600Å의 p형 In0.03Ga0.97N를 형성하였다. 상부 클래드층으로 Al0.02Ga0.98N를 형성하였다. In accordance with the first embodiment of the present invention, a nitride-based semiconductor laser diode was fabricated. Referring back to FIG. 1, a sapphire substrate was used as the
<비교예>Comparative Example
비교예로서, 하부 콘택트층으로 n형 GaN, 하부 클래드층으로 Al0.15Ga0.85N 을 사용하여, 하부 클래드층의 굴절률이 하부 콘택트층의 굴절률보다 작은 종래의 질화물계 반도체 레이저 다이오드를 제작하였다. 상기 하부 콘택트층과 하부 클래드층을 제외하고, 위의 실시예와 동일한 조건이다.As a comparative example, a conventional nitride-based semiconductor laser diode having a refractive index smaller than that of the lower contact layer was fabricated using n-type GaN as the lower contact layer and Al0.15Ga0.85N as the lower clad layer. Except for the lower contact layer and the lower clad layer, the same conditions as in the above embodiment.
도 5a 및 5b와 도 6a 내지 6c를 참조하여, 상기 실시예와 비교예의 실험결과를 비교하여 설명하기로 한다.With reference to FIGS. 5A and 5B and FIGS. 6A to 6C, the experimental results of the examples and the comparative examples will be compared and described.
도 5a는 상기 비교예에 따라 제작된 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 각 층별 굴절률 및 광세기를 나타내는 그래프이며, 도 5b는 본 비교예의 FFP을 나타내는 그래프이다.FIG. 5A is a graph showing refractive index and light intensity for each layer of the nitride semiconductor laser diode fabricated according to the comparative example, and FIG. 5B is a graph showing the FFP of the comparative example.
상기 광세기는 임의 단위(arbitrary unit;a.u.)로 나타내었다. 도면을 참조하면, 본 비교예의 질화물계 반도체 레이저 다이오드는, 하부 클래드층의 굴절률(n하부클래드층)이 하부 콘택트층의 굴절률(n하부콘택트층)보다 작은 종래의 굴절률 분포를 보인다. 이에 따라, 하부 클래드층 쪽으로 전파된 광학 모드의 누설성분은 하부 콘택트층으로 전파되어, 광구속이 약하게 됨을 볼 수 있다. 이러한 광학 모드의 누설은, 도 5b에서 도시되듯이, 원거리장에서 리플이 발생되는 원인이 되며, 결과적으로 빔 퀄리티를 나쁘게 한다.The light intensity is expressed in arbitrary units (a.u.). Referring to the drawings, the nitride semiconductor laser diode of the present comparative example shows a conventional refractive index distribution in which the refractive index (n lower clad layer) of the lower clad layer is smaller than the refractive index (n lower contact layer) of the lower contact layer. Accordingly, it can be seen that the leakage component of the optical mode propagated toward the lower clad layer is propagated to the lower contact layer, so that the light restraint is weakened. This optical mode leakage causes ripples in the far field, as shown in FIG. 5B, resulting in poor beam quality.
도 5c는 본 비교예에 따라 제작된 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 레이저광 파장에 따른 광학 모드의 손실을 나타낸 그래프이다. 도면을 참조하면, 자색에서 청색이나 녹색으로 레이저광의 파장이 길어짐에 따라 광학 모드의 누설이 심해짐을 볼 수 있다. 이러한 광학 모드의 누설은 빔 퀄리티를 심하게 훼손시키므로, 다양한 파장대의 광이 요구되는 디스플레이 광원 등으로의 응용에 심각한 문제점이 될 수 있다.5C is a graph showing the loss of the optical mode according to the laser light wavelength of the nitride semiconductor laser diode fabricated according to the present comparative example. Referring to the drawings, it can be seen that as the wavelength of the laser light is increased from purple to blue or green, leakage of the optical mode is increased. Since the leakage of the optical mode severely impairs the beam quality, it may be a serious problem in an application to a display light source that requires light of various wavelengths.
도 6a는 상기 실시예에 따라 제작된 질화물계 반도체 레이저 다이오드의 각 층별 굴절률 및 광세기를 나타내는 그래프이며, 도 6b는 상기 실시예의 FFP을 나타내는 그래프이다.6A is a graph showing refractive index and light intensity for each layer of the nitride semiconductor laser diode fabricated according to the embodiment, and FIG. 6B is a graph showing the FFP of the embodiment.
도면을 참조하면, 하부 클래드층의 굴절률(n′하부클래드층)이 하부 콘택트층의 굴절률(n′하부콘택트층)보다 커서, 광세기의 프로파일이 매끄러운 곡선을 이룸을 볼 수 있다. 이는 하부 클래드층 쪽으로 전파된 누설성분이 하부 콘택트층에서 더 이상 전파되지 못하고 소멸하게 되어, 광학 모드가 강하게 구속됨을 의미한다. 이와 같이 광학 모드가 누설되지 않음에 따라, 원거리에서 리플이 발생되지 않고, 광세기가 매끄러운 분포를 가져, 레이저광의 빔 퀄리티가 뛰어남을 확인할 수 있다. Referring to the drawings, the refractive index (n 'lower clad layer) of the lower cladding layer is larger than the refractive index (n' lower contact layer) of the lower contact layer, it can be seen that the profile of the light intensity has a smooth curve. This means that the leakage component propagated toward the lower clad layer is no longer propagated in the lower contact layer and disappears, so that the optical mode is strongly constrained. As the optical mode does not leak in this way, no ripple is generated at a long distance, the light intensity is smoothly distributed, and the beam quality of the laser beam is excellent.
나아가, 본 실시예에서는 광학 모드의 누설이 발생되지 않으므로, 비교예의 문제점인 파장에 따른 광학 모드의 누설이 심해지는 현상이 발생되지 않는다. 이는 자색 뿐만 아니라 청색, 녹색 등의 다양한 파장대에서, 특히 장파장대에서, 레이저광의 빔 퀄리티를 유지할 수 있음을 의미한다.Furthermore, in the present embodiment, since the leakage of the optical mode does not occur, the phenomenon that the leakage of the optical mode according to the wavelength, which is a problem of the comparative example, does not occur. This means that the beam quality of the laser light can be maintained in various wavelength bands such as blue, green, and the like, particularly in the long wavelength band.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 레이저 다이오드에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the nitride-based semiconductor laser diode according to the present invention has the following effects.
첫째, 기판 방향으로의 광학 모드의 누설을 억제하여 레이저광의 빔 퀄리티를 향상시킬 수 있다.First, the beam quality of the laser light can be improved by suppressing leakage of the optical mode toward the substrate.
둘째, 하부 클래드층의 두께 조절을 통해 OCF나 FFP를 조절할 수 있다.Second, OCF or FFP can be controlled by adjusting the thickness of the lower clad layer.
셋째, 레이저광의 파장과 무관하게 광학 모드의 누설을 방지할 수 있으므로, 다양한 파장대에서 레이저광의 빔 퀄리티를 유지할 수 있으며, 특히, 장파장대에서의 빔 퀄리티 향상에 유리하다.Third, since the leakage of the optical mode can be prevented irrespective of the wavelength of the laser light, the beam quality of the laser light can be maintained in various wavelength bands, and is particularly advantageous for improving the beam quality in the long wavelength band.
이러한 본원 발명인 질화물계 반도체 레이저 다이오드는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Such a nitride-based semiconductor laser diode of the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings for clarity, but this is only an example, and those skilled in the art have various modifications and other equivalent implementation therefrom. It will be appreciated that examples are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.
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